袁昌軍

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

霍爾辛赫煤礦構(gòu)造探查與防治水

袁昌軍*

（山西省煤炭地質(zhì)114勘查院，山西長治046000）

通過構(gòu)造導(dǎo)通含水體是目前礦井充水一種常見的水害現(xiàn)象，一般包括陷落柱、斷層，其往往使礦井涌水量增大，影響巷道布置與施工及工作面回采。山西霍爾辛赫煤礦井下斷層、陷落柱較發(fā)育，在3202回風(fēng)順槽施工接近X7陷落柱時(shí)，井下涌水量由正常54m3/h突然增大至75 m3/h，影響著巷道安全施工，通過采用物探測試與鉆探驗(yàn)證，查明了陷落柱的分布、發(fā)育、含導(dǎo)水情況；并采用注漿堵水，在陷落柱體內(nèi)形成止水屏障，成功封堵了涌水通道，使礦井涌水量恢復(fù)正常，確保了礦井安全，為類似構(gòu)造的防治提供了依據(jù)。

構(gòu)造；物探；鉆探；注漿堵水

構(gòu)造探查及其防治水是礦井地質(zhì)與水文地質(zhì)工作的重要組成部分。本文通過收集山西霍爾辛赫煤礦構(gòu)造的探查手段、探測結(jié)果與實(shí)際揭露對比情況、及其防治水技術(shù)方法與手段等，重點(diǎn)分析與研究構(gòu)造對礦井的充水方式與特征，并總結(jié)其規(guī)律，為礦井防治水工作積累經(jīng)驗(yàn)。

1　概況

山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司位于山西省長治市長子縣縣城東南，現(xiàn)開采二疊系山西組3號(hào)煤層，生產(chǎn)規(guī)模400×104t/a，為奧灰水帶壓開采礦井，帶壓系數(shù)為0.02～0.39MPa/m。礦區(qū)位于沁水煤田長治盆地的南部，屬辛安泉域南部巖溶地下水長治子系統(tǒng)的徑流區(qū)，井田以褶曲構(gòu)造為主，地層傾角5°～10°。

礦區(qū)氣象屬東亞季風(fēng)區(qū)暖溫帶半濕潤地區(qū)，大陸季風(fēng)氣候顯著。春、秋季多風(fēng)少雨，氣候干燥；冬季寒冷；夏季暖濕多雨。井田位于太行山中段的長治盆地西側(cè)，地表均為新生界松散黃土層所覆蓋。地貌區(qū)劃屬于沖積平原、河谷平原。井田內(nèi)地形總趨勢是西高東低，西北、西南為丘陵地帶，中東部地勢平坦。井田內(nèi)有2條過境河流：一是北部自西南向東北流過的雍河，二是南部自西南向東后至東北流過的漳河。

2　礦區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1奧陶系石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

該含水層主要由石灰?guī)r、角礫狀灰?guī)r、泥灰?guī)r組成，含水空間主要為巖溶裂隙，含水層主要位于峰峰組上段下部、以及上馬家溝組上段。據(jù)井田奧灰孔抽水資料：q=0.0066L/（s·m），K=0.0256m/d，水位標(biāo)高644.07m，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Na型。據(jù)井下奧灰水文長觀孔，鉆進(jìn)至峰峰組上段底部時(shí)，出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，鉆孔涌水量達(dá)到30m3/h，鉆進(jìn)至上馬家溝組，鉆孔涌水量達(dá)到38.5m3/h，礦化度1551～2994mg/L，水化學(xué)類型為SO4-Ca·Mg型與SO4·HCO3-Ca·Mg型。該含水層屬弱—強(qiáng)富水性，富水性具有明顯的不均一性。

2.2石炭系太原組石灰?guī)r巖溶裂隙含水層

井田內(nèi)無露頭，含水空間主要以砂巖裂隙與石灰?guī)r巖溶裂隙含水為主，主要含水層由數(shù)層砂巖裂隙及K2、K3、K4、K5石灰?guī)r巖溶裂隙構(gòu)成。瞬變電磁勘探成果，該含水層有富水異常區(qū)分布。據(jù)井下施工的4個(gè)太原組長觀孔（見表1），發(fā)現(xiàn)不同鉆孔在不同層位均發(fā)生了涌水現(xiàn)象，主要涌水層位為：K5、K4、K4下砂巖、K2、K1砂巖，涌水量0.1～50m3/h，水化學(xué)類型為HCO3-Na型，礦化度693～996mg/L。另據(jù)鄰區(qū)高河井田內(nèi)1001、2001鉆孔抽水試驗(yàn)資料：q=0.00024～0.0013L/（s·m），K=0.0011～0.0037m/d，水位標(biāo)高+680.77～+682.47m，水化學(xué)類型為HCO3-Na型。該含水層一般屬弱富水性，富水性具有明顯的不均一性。

2.3二疊系下統(tǒng)山西組砂巖裂隙含水層

主要為砂巖裂隙含水為主，主要包括K7砂巖、3號(hào)煤層頂板砂巖及K8砂巖裂隙含水層，巖性為中—細(xì)粒砂巖，構(gòu)成3號(hào)煤層的主要的充水水源。據(jù)井田風(fēng)井檢查孔、主井檢查孔及1601鉆孔內(nèi)抽水試驗(yàn)資料：單位涌水量0.00005～0.0029L/（s·m），滲透系數(shù)0.0003～ 0.0111m/d，水位標(biāo)高+670.37～+713.89m，水化學(xué)類型為SO4·HCO3-Na·Ca與HCO3-Na型。為弱富水性含水層。

表1　太原組長觀孔參數(shù)

3　構(gòu)造突水機(jī)理

3.1構(gòu)造突水機(jī)理分析

構(gòu)造突水的通道主要為斷層、陷落柱。斷裂構(gòu)造控制著地下水的橫向與垂向上運(yùn)動(dòng)，其突水主要取決于斷裂構(gòu)造的復(fù)雜程度與結(jié)構(gòu)面力學(xué)性質(zhì)及其富水與導(dǎo)水性。巖溶陷落柱向礦井充水，是由于底部石灰?guī)r中巖溶充分發(fā)育所引起的頂部灰?guī)r及上覆非可溶性巖層向下塌陷所形成的椎體或柱狀堆積體，平面多呈不規(guī)則的橢圓性、圓形；柱體圍巖一般強(qiáng)度較低，孔隙性較好，裂隙較發(fā)育，故陷落柱不僅對煤層開采有明顯影響，而且往往成為地下水突入礦井的通道。

3.2井田內(nèi)構(gòu)造涌水現(xiàn)象

（1）斷層涌水特點(diǎn)：礦井在建井及生產(chǎn)期間共揭露斷層47條；其中，正斷層44條，逆斷層3條；大于10的斷層4條，5～10m的斷層8條，小于5m的斷層35條。巷道初始揭露斷層時(shí)，局部有涌水現(xiàn)象，約1～2m3/h，持續(xù)時(shí)間較短，以消耗靜儲(chǔ)量為主，總體講，礦井涌水量變化很小。

（2）陷落柱涌水特點(diǎn)：巷道揭露的陷落柱共有8個(gè)，與物探解釋的成果對比，實(shí)際揭露的陷落柱主要表現(xiàn)為：形態(tài)、面積變小。在巷道揭露X7陷落柱時(shí)，井下涌水量瞬間增大，初始最大涌水量20m3/h，后隨礦井排水，涌水量穩(wěn)定至15m3/h。揭露的其它陷落柱不含水、不導(dǎo)水。

3.3突水水源

（1）揭露斷層，涌水量一般為1～2m3/h，持續(xù)時(shí)間1～3d，采水樣檢測為HCO3-Na型水，確定為煤層頂板砂巖裂隙水。

（2）揭露X7陷落柱，涌水量達(dá)15～20m3/h，水量穩(wěn)定，充水水源快速識(shí)別系統(tǒng)顯示為太原組含水層水及奧灰水，采水樣檢查為HCO3-Ca·Na型。

3.4突水通道

通過霍爾辛赫實(shí)踐證實(shí)，本礦揭露小斷層含水性弱、導(dǎo)水性弱，說明本礦小斷層一般不會(huì)成為礦井突水通道。預(yù)測大斷層是本礦突水的通道之一。

礦井揭露的X7陷落柱富水性、導(dǎo)水性較好。陷落柱突水一般具有來勢猛、水量大，有管道流特征?，F(xiàn)已證實(shí)，陷落柱為本礦突水的通道之一。

4　防治水工程

4.1構(gòu)造探查

為查明斷層、陷落柱發(fā)育位置、規(guī)模、導(dǎo)富水性，礦井采用了法國sercel公司引進(jìn)的408UL新型多道遙測數(shù)字地震儀、以及SUN-Blade2000工作站和法國CGG公司的地震數(shù)據(jù)處理軟件GeovecturPlus進(jìn)行查明未來開采區(qū)的構(gòu)造位置、大小，并采用了地面瞬變電磁勘探查明其導(dǎo)富水性；在井下采用了全方位探測儀CY?TD400，在掘進(jìn)工作面前方、構(gòu)造等部位，查明其導(dǎo)、富水性。

對于三維地震查明的陷落柱，經(jīng)井下驗(yàn)證，大部分存在，但解釋的陷落柱往往比實(shí)際大，以井田X7陷落柱為例，三維地震解釋：形狀不規(guī)則，長軸北東方向，長度為130m，短軸北西向，長度為110m，面積約為8867m2；在時(shí)間剖面上顯示破壞了3#煤、15#煤。T3波、T15波扭曲或中斷，特征明顯，X7陷落柱反射波特征圖見圖1，平面分布見圖2。參與評級的斷陷點(diǎn)12個(gè)（9A，3B）,綜合評定控制可靠。

經(jīng)井下二盤區(qū)回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷驗(yàn)證：實(shí)際揭露的X7陷落柱在平面上為橢圓性，大小為80m×70m，面積為4347m2，比三維地震減小了4520 m2，見圖1?？傮w講，三維地震探測效果較好。

4.2斷裂構(gòu)造防治水工程

（1）小斷層的防治。目前礦井揭露的47條小斷層，初始揭露時(shí)涌水量一般為1～2m3/h,持續(xù)一段時(shí)間后均不再涌水，對礦井安全影響較小。因此對于小斷層，超前探放水及巷道直接通過的措施，既經(jīng)濟(jì)，又方便，可滿足礦井需求。

（2）大斷層的防治。根據(jù)《煤礦防治水規(guī)定》附錄三中第四條：煤層位于含水層上方且斷層導(dǎo)水時(shí)防水煤（巖）柱的留設(shè)，來計(jì)算斷層防水煤柱的寬度，見表2。

表2　3號(hào)煤層斷層防水煤柱留設(shè)寬度L計(jì)算表

圖1　X7陷落柱反射波特征圖

圖2　三維地震與實(shí)際揭露陷落柱對比圖

式中：L——防隔水煤（巖）柱寬度，m；

Ha—斷層安全防隔水煤（巖）柱的寬度，m；

α——斷層傾角，（°）。

Ha值應(yīng)根據(jù)礦井實(shí)際觀測資料來確定，采用公式計(jì)算：

式中：P——防水煤柱所承受的靜水壓力，MPa；

Ts——臨界突水系數(shù)，MPa/m，本次采用0.06MPa/m；

10——保護(hù)帶厚度（一般取10m）。

若礦井受生產(chǎn)條件限制，需要強(qiáng)行通過落差較大的斷層時(shí)，首先需要采用物探手段查明斷層的導(dǎo)、富水性，然后采用鉆探進(jìn)行探查及驗(yàn)證，查明斷層的位置、產(chǎn)狀、斷層帶寬度、充填物、充填程度及導(dǎo)、富水性，后采用注漿手段對斷層破碎帶進(jìn)行封堵（圖3），并進(jìn)行取樣、測壓等試驗(yàn)，保證斷層帶封閉完好，經(jīng)檢查合格后，才可通過。

4.3陷落柱防治水工程

4.3.1探放陷落柱水

井田內(nèi)在接近或通過陷落柱（X5、X6、X10、X12、JX6、JX10、JX9）時(shí)，均采用了探放水措施。探放陷落柱水時(shí)，礦井需要注意：

（1）探放陷落柱水鉆孔的孔口設(shè)置安全裝置，監(jiān)測并記錄鉆孔內(nèi)水壓，當(dāng)水壓大于2～3MPa的陷落柱一般不沿煤層布置探放水鉆孔，鉆孔應(yīng)布置在煤系地層底板穩(wěn)定的巖層中。若在煤層中布置鉆孔，必須沿煤層埋設(shè)孔口安全止水套管；

圖3　注漿孔在平剖面上的布置及分布示意圖

（2）探放陷落柱水的鉆孔要提高巖芯采取率，及時(shí)進(jìn)行巖芯鑒定；

（3）探到陷落柱無水或水量很小時(shí)，利用泵進(jìn)行壓水試驗(yàn)，檢查陷落柱導(dǎo)水性；并向陷落柱深部探測，了解其深部的導(dǎo)、富水性；

（4）探放陷落柱水的鉆孔探測后必須注漿封閉，并做好封孔記錄，注漿壓力應(yīng)大于區(qū)域靜水壓力的1.5倍。

4.3.2注漿堵水

礦井采掘接近X7陷落柱，礦井涌水量增大。為減少X7陷落柱對礦井的影響，采用了注漿堵水的防治水措施。

（1）出水點(diǎn)位置及通道.礦井在2013年4月3202工作面回風(fēng)順槽沿3號(hào)煤層頂板掘進(jìn)，在距前方X7陷落柱90m時(shí)，出現(xiàn)頂板破碎冒頂、巷幫片幫、煤壁滲水現(xiàn)象。在超前鉆孔施工（距離陷落柱90m），孔深60m處鉆孔出水，水量4～5m3/h，在掘進(jìn)至陷落柱30m處施工6個(gè)超前鉆孔，孔深10～12m，不同程度見矸，多孔出水，水量約10m3/h。持續(xù)掘進(jìn)時(shí)頂板垮塌，鉆孔涌水量增大，實(shí)測涌水量達(dá)18m3/h，并有異味，隨即停止掘進(jìn)，經(jīng)測試、分析研究，該陷落柱導(dǎo)通底板下方奧灰水。

（2）注漿施工。沿煤層底板方向布置了11個(gè)注漿鉆孔，注漿方式采用連續(xù)注漿，最大限度的充填陷落柱裂隙。材料采用425水泥加入少量玻璃水，加快水泥凝固。采用3MPa以上的壓力注漿，保證陷落柱內(nèi)破碎帶充填結(jié)實(shí)。

（3）注漿效果。注漿結(jié)束后，實(shí)施了3個(gè)檢查孔鉆孔出水量很小，并進(jìn)行注水耐壓試驗(yàn)，注水壓力不小于3MPa，持續(xù)時(shí)間不少于24h。目前，巷道迎頭附近涌水現(xiàn)象消失。效果較好，達(dá)到注漿堵水效果。陷落柱結(jié)構(gòu)平面圖及剖面圖見圖4。

圖4　陷落柱結(jié)構(gòu)平面圖及剖面圖

5　結(jié)束語

（1）對于井田構(gòu)造探查，礦井采用三維地震的手段進(jìn)行查明，并在井下進(jìn)行鉆探驗(yàn)證；其構(gòu)造導(dǎo)、富水性采用地面瞬變電磁勘探和井下全方位探測儀手段進(jìn)行查明。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，適合本礦，值得今后推廣。

（2）本礦小斷層充水水源主要為煤層頂板砂巖裂隙水，采掘時(shí)一般可直接通過，采取疏排的防治水措施，既經(jīng)濟(jì)，又可解決問題。對于大斷層的防治水措施，首先物探先行，查清富、導(dǎo)水性，并按規(guī)程留設(shè)保護(hù)煤柱，必須通過斷層時(shí)對斷層破碎帶進(jìn)行注漿加固，以防發(fā)生突水。

（3）本礦目前揭露的陷落柱大多不富水、不導(dǎo)水，采掘一般可直接通過，但須采取注漿加固，以防采動(dòng)活化陷落柱導(dǎo)水性；個(gè)別導(dǎo)富水好的陷落柱，充水水源往往為煤層底板太灰水、奧灰水，其水量大而穩(wěn)定，應(yīng)留設(shè)煤柱，并采用注漿封堵方法。

[1]國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦防治水規(guī)定[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009.

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TD2

B

1004-5716(2016)11-0176-05

2016-01-26

2016-01-27

袁昌軍（1987-），男（漢族），山西河津人，助理工程師，現(xiàn)從事煤田地質(zhì)及水文地質(zhì)、煤礦防治水工作。